Система криостатирования терапевтического комплекса «КАЭКТ-01 КРИОН»

СИСТЕМА  КРИОСТАТИРОВАНИЯ ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «КАЭКТ-01 КРИОН»

Для выполнения криотерапевтических процедур необходимо отводить от поверхности тела пациента значительные по величине потоки теплоты, поэтому номинальная мощность системы криостатирования составляет около 10 кВт. Температурный уровень криостатирования 120- 130 К тепловая нагрузка не стабильна. Для покрытия импульсных потоков теплоты и снижения пусковых затрат криоагента в системе криостатирования терапевтического комплекса «КАЭКТ-01 КРИОН» используется безнасадочный контактный теплообменник 3 (см. рисунок). Теплообменная поверхность формируется  из капель жидкого азота, которые зависают в потоке, циркулирующего через  криостатирующее  устройство газотеплоносителя. Движение теплоносителя побуждается центробежным вентилятором 2. Источником криоагента служит расходная емкость 1. Для  удаления жидкости из потока теплоносителя в схеме криостатирующего устройства предусмотрен отделитель 4. Температурный режим кабины комплекса «КАЭКТ-01» определяется настройкой системы криостатирования. Операция настройки выполняется в ходе пуско-наладочных испытаний. Для настройки  используется регулировочный клапан, изменяющий потери напора на линии нагнетания центробежного побудителя расхода теплоносителя. Величина гидравлического сопротивления линии нагнетания определяет объемный расход газотеплоносителя.

Считается, что температуру  газа на выходе из системы криостатирования определяет площадь наружной поверхности капель криоагента витающих в полости канала парогенератора.

Капли захватываются газовым потоком из расходной емкости и перемещаются в нем постепенно испарясь и охлаждая газ. Число частиц зависит от интенсивности захвата жидкости с поверхности расходной емкости и скорости, с которой капли перемещаются по каналу контактного теплообменника. Захват капель с поверхности криогента в емкости 1 и скорость движения капель вдоль вертикальной оси канала 3 определяются скоростью газа, которая зависит от производительности  центробежного побудителя расхода 2. Если скорость газа мала, в расходной емкости не происходит отрыва капель с поверхности криоагента. Слишком большой расход приводит резкому увеличению скорости и размера капель, а часть капель  попадает в побудитель расхода, не успев полностью испарится. Оптимальный температурный режим системы криостатирования  достигается в том, случае когда зона распространения капель жидкого криоагента оканчивается на всасывании центробежного побудителя расхода. За время процедуры уровень криоагента в расходной емкости изменяется. Эмпирически подобрать  необходимое сопротивление на линии нагнетания трудно. На практике, настройка системы криостатирования на необходимую температуру теплоносителя, может быть  выполняется за 1-2 процедуры. 

Простота настройки системы криостатирования объясняется тем, что между ее основными элементами, контактным теплообменником и центробежным побудителем расхода существует самопроизвольная обратная связь.  Физическую основу этой связи составляет зависимость мощности расходуемой в центробежном побудителе от эффективной плотности поступающего в рабочее колесо потока. Учитывая значительную разницу плотностей теплоносителя (около 3,6 кг/м³) и криоагента (800 кг/м³) даже небольшое количество капель жидкого азота резко увеличивает эффективную плотность и массовый расход парожидкостного потока.

Поэтому увеличивается работа, совершаемая вентилятором и нагрузка на электропривод. При определенной плотности потока, расход энергии в рабочем колесе превышает номинальную мощность электропривода, что вызывает снижение частоты вращения ротора. При снижении числа оборотов уменьшается поступление жидкости в рабочее колесо, потребляемая колесом мощность уменьшается, и двигатель снова увеличивает частоту вращения. Система криостатирования входит в режим автоколебаний, следствием  которых является условное постоянство температуры теплоносителя в линии нагнетания центробежного побудителя расхода. Регулировочный клапан является дополнительным источником затрат энергии, благодаря которому удается усилить влияние обратной связи и снизить амплитуду автоколебаний температуры теплоносителя.

Чем выше номинальная мощность электропривода, тем сложнее ввести систему в автоколебательный режим, двигатели малой мощности  не обеспечивают условий первичного захвата жидкости.  Для улучшения условий настройки следует обосновать оптимальную мощность электропривода и способ его подключения к электросети. Кроме того, следует оценить влияние формы лопаток колеса на энергетические характеристики побудителя расхода. Так как управление температурой теплоносителя предполагает использование обратной связи между побудителем расхода и каналом теплообменника,  для улучшения условий регулирования следует использовать колесо с лопатками загнутыми в направлении вращения. При прочих равных условиях лопатки этого типа передают перекачиваемому потоку значительно больше энергии, поэтому изменение эффективной плотности потока будет сильнее изменять скорость вращения электропривода колеса. Усиление реакции привода на увеличение содержания криоагента в потоке теплоносителя снизит амплитуду колебаний  температуры.